熱分析指標在循環流化床鍋爐點火中的應用

林山虎 ，程 偉 ，曾慶春 ，吳朝剛 ，周 棋 ，張 章

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001；3.百色電力有限責任公司，廣西 百色 533000）

在循環流化床鍋爐的設計和運行中，點火時的投煤溫度是鍋爐安全和正常啟動的關鍵參數。循環流化床鍋爐點火啟動過程中，投煤溫度太高，會造成點火時間過長，影響鍋爐啟動時間且大幅增加點火成本；投煤溫度過低，則容易出現結焦等風險。因此，確定循環流化床鍋爐最佳投煤溫度對于鍋爐的設計和運行有重要的指導意義。

目前，煤的熱分析法已廣泛應用于對煤的著火、穩燃、燃盡等特性的評價，不同學者根據熱分析法得出了煤的眾多著火特性評價指標，而這些指標在實際鍋爐點火過程中都無法單獨可靠地指導投煤溫度。本文采用煤的熱分析法對多種燃料進行分析，并在3 MW CFB試驗臺上對這些燃料進行投煤著火試驗研究，通過大量的數據統計分析，尋找與投煤溫度相關性最高的熱分析指標，并且總結了該熱分析指標與投煤溫度之間的差異和關系，提出了熱分析指標與投煤溫度之間的關系式，用于指導實際CFB鍋爐投煤著火的最佳溫度。

1 煤的著火評價指標

1.1 著火溫度

著火溫度Ti是衡量煤著火特性的重要指標之一，著火溫度越低，煤越易著火；反之，則更難著火。熱分析中，確定煤的著火溫度最常用方法為TG-DTG法，即在DTG曲線上，過其峰值作垂線與TG曲線交于B點，過B點作TG曲線的切線，該切線與TG曲線上開始失重時的平行線的交點C所對應的溫度即定義為著火溫度[1-2]。

1.2 燃燒特性指數

許多學者采用燃燒特性指數S對煤的著火特性和燃盡特性進行綜合評價[3-5]。該指數的定義為：

式中，(dW/dt)max為最大失重速率，%/min；(dW/dt)mean為平均失重速率，%/min；Ti為著火溫度，℃；Cb為燃盡溫度，℃。

燃燒特性指數S值越大，煤的燃燒特性越佳，一般來說，由褐煤到無煙煤，著火與燃盡是由易變難，S值由大變小。S值相差較大的煤種，燃盡性能差異也大，S值相近的煤種，燃燒性能也比較接近。

1.3 可燃性指數

王雅君等采用煤的可燃性指數Cb來判斷燃料的著火特性[6-7]。其定義為：

該指數綜合考慮了煤的最大失重速率和著火溫度對煤著火特性的影響，反映了煤著火的難易程度，指數越大，煤的可燃性越好。

1.4 燃燒穩定性指數

張輝等人采用煤的燃燒穩定性指數G來評價煤粉著火的難易和燃燒強弱[6-8]。其定義如下：

因為煤的最大反應速率(dW/dt)max越大，揮發分釋放就會越強烈，最大反應速率對應溫度Tmax越低，揮發分釋放的高峰期出現得就越早，著火溫度越低，著火就越容易，這就有利于形成較高的燃燒溫度，燃燒就越穩定、越充分。

1.5 著火燃燒穩定性指數

孫學信等采用著火穩定性指數Rw來評價煤的著火穩定性，該指標越大，則煤越容易著火穩定[9-10]。該指標表達式如下：

1.6 動力學參數

劉艷軍等采用動力學分析煤的燃燒特性[11-13]。一般的氣固反應的動力方程表示如下：

式中，x為反應速率，%；A為指前因子，min-1；E為活化能，kJ/mol；R為氣體常數，8.314 J/（mol·K）；T為反應溫度，K；n為反應級數。

而對于非等溫過程，溫度T與時間t有如下關系：

式中，ψ為升溫速率，將其帶入式（5）積分可得：

對于煤和煤焦反應，反應級數n選取為1，將式（7）取對數可得：

在熱重法測定化學反應速率中，轉化率x可用式（9）計算：

式中，ω0為反應時樣品質量；ω為某時刻樣品質量；ω∞為樣品反應終止時質量。

煤的活化能越小，說明由初始狀態達到活化狀態所需能量越小，煤的著火度低，易于著火并燃燒；反之，則說明由初始狀態達到活化需要較大能量，煤的著火度高，難易著火。

2 試驗與測試

2.1 燃料分析

為了能更好地反映不同熱重指標對流化床鍋爐點火的指導性，本文選取了多個不同類型的煤種及混煤（1#-印尼褐煤和百色褐煤混煤、2#-波黑褐煤、4#平朔煤、5#貴州無煙煤、6#-百色褐煤、7#-百色褐煤與無煙煤混煤、9#-大屯煤、10#-羅馬尼亞褐煤、11#-巴西褐煤、12#-蒙東煤）進行試驗。除此之外，還選取了可以用于流化床鍋爐燃燒的其他類型的燃料（3#-蘭炭、8#-石油焦、13#-酒糟）進行對比驗證，以提升試驗結果的適用范圍和判別準確性。燃料分析數據如表1所示。

表1 試驗燃料的分析數據

2.2 試驗煤樣與試驗方法

熱重分析實驗采用美國TA公司生產的TGA-Q50熱重分析儀，其升溫范圍為30～900℃。試驗條件為：煤樣10 mg，粒徑小于100目，升溫速率20℃/min，模擬空氣氣氛。

投煤著火試驗在清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室的3 MW CFB熱態試驗臺上進行，該試驗臺主要用于工程項目前期的驗證性試驗，通過與后續投運項目的對比，試驗臺測試的投煤溫度能可靠地指導鍋爐的實際運行。試驗臺主要參數：設計功率3 MW，爐內速度5 m/s，爐膛截面熱負荷3.03 MW/m2，循環倍率40，試驗臺高度29.1 m，天然氣點火，給料量500～1 500 kg/h。試驗條件：煤樣粒徑小于8 mm，常規循環流化床鍋爐床料。

3 試驗結果分析

3.1 TG-DTG曲線

圖1給出了不同燃料的TG和DTG曲線，由此可以看出，各燃料在加熱到100℃時，均存在一個失重過程，該失重與燃料水分有關，水分越高的燃料（2#、10#、12#、13#）其失重越明顯，這是燃料外部水分蒸發造成的。在300～700℃，不同燃料均出現急劇失重情況，對應的DTG曲線峰值也出現在該區域，峰值出現的先后和燃料中揮發分含量密切相關，7#燃料是差異較大的兩種煤的混煤，其DTG曲線還出現了雙峰。在該溫度區域，燃料中有機物大量揮發并與固定碳一起著火燃燒。700℃之后，多數燃料已趨于燃燒完全，僅少數燃料出現少量質量變化。

3.2 不同燃料熱重著火指標與投煤著火溫度相關性

根據不同燃料的TG-DTG曲線，采用上述計算方法，求得不同燃料的著火溫度Ti、燃燒特性指數S、可燃性指數Cb、燃燒穩定性指數G、著火穩定性指數Rw、燃料動力學參數活化能E并且將其與3 MW CFB試驗臺投煤溫度T0進行比較，各燃料相關指數如表2所示。

圖1 不同燃料TG/DTG曲線

表2 不同燃料的著火特性指標及試驗臺投煤著火溫度

將各著火指數與投煤著火溫度進行對比，繪制如圖2所示的曲線。由圖2可以看出，投煤著火溫度和熱重分析指標著火溫度及活化能有著明顯的相關性，即熱重著火溫度、活化能越低，燃料投煤著火溫度也越低。對比表1、2不難發現，揮發分越高的燃料（2#、10#、13#）其對應的著火溫度就越低，這是由于燃料升溫著火過程中，揮發分含量越高，越容易引燃燃料中的碳顆粒，燃料也就越容易著火燃燒。同樣，揮發分含量越高，其反應的活化能也就越低，因為揮發分含量的增加使得揮發分分子間的碰撞越激烈，普通分子更易轉化為活化分子，燃料氧化燃燒也就越容易[14]。

圖2 不同著火指數與投煤著火溫度對比

燃燒特性指數、可燃性指數、燃燒穩定性指數及著火穩定性指數與投煤著火溫度并無明顯關系，因為這些指數除了和著火溫度有關，還和最大反應速率、平均反應速率、最大反應速率對應溫度及燃盡溫度等相關，而這些參數和燃料的著火方式密切相關。理論認為揮發分較高的燃料，其著火為均相著火，即揮發分先析出，隨之與燃料顆粒外圍的氧氣發生反應，且燃燒釋放的熱量加熱燃料顆粒使得焦炭著火；對于低揮發分的燃料為多相著火，只有溫度達到一定程度，揮發分和焦炭同時著火燃燒；對于中等揮發分燃料則為聯合著火[3]。因此，燃料的差異性導致其著火方式不同，進而降低了上述指數與投煤著火溫度的相關性。

在實際工程中，影響CFB鍋爐投煤著火的因素眾多，除燃料種類外，床溫、風量、爐內流化情況等對其都有重要影響，因而采用SPSS軟件對熱分析指標和投煤溫度的相關性進行更深入分析。SPSS軟件是世界上最早使用的統計分析軟件，其廣泛應用于各個行業和領域，具有數據管理、統計分析、趨勢預測等功能[15-16]。CFB試驗臺投煤溫度和熱重各著火指標的相關性如表3所示，由該表可以看出，試驗臺投煤著火溫度與熱重著火點、活化能的Pearson相關系數分別為0.789和0.748，并且通過了置信度（雙側）0.01水平檢驗。這說明煤質的熱重著火溫度和活化能與CFB試驗臺投煤溫度的相關性并不是偶然性的，它們和CFB試驗臺投煤溫度具有高度相關性。而燃燒特性指數、著火穩定指數、煤的可燃性指數及燃燒穩定性指數與投煤著火溫度相關性并不顯著。相關性分析表明，采用熱重分析得出的燃料著火溫度、活化能能夠在一定程度上指導CFB試驗臺投煤著火。

表3 熱重著火指標和CFB試驗臺投煤著火溫度相關性

3.3 熱重著火溫度與投煤溫度之間的關系

雖然熱重著火溫度及活化能對CFB試驗臺投煤溫度均具有一定的指導性，但通過熱重分析計算活化能較為煩瑣，而通過熱重曲線獲得燃料著火溫度相對簡單，且燃料水分較高時，偏差依然較大（燃料如燃料2#、10#的偏差超過100℃），因而本文著重尋找一種可以通過熱重著火溫度來指導CFB鍋爐投煤的方法。通過著火溫度與投煤溫度的關系圖可以看出，熱重著火溫度均低于CFB試驗臺投煤溫度，這和許多學者的試驗結果是一致的[17]。本文認為，這主要是由于熱重分析和CFB試驗臺試驗條件的不同所引起的，因為在熱重分析時，溫度是靠外部熱量來維持的，控制的是升溫速率，水分吸熱的多少并不會影響溫度，所以燃料中的水分基本上不會對熱重著火溫度測試產生影響；而CFB鍋爐投煤則是靠燃料自身的反應來提升溫度，當燃料水分較高時，汽化會吸收大量熱量，降低了爐內的溫度水平從而影響點火投煤（如燃料2#、10#），導致CFB鍋爐投煤溫度與熱重著火溫度產生偏差。將各燃料熱重著火溫度Ti與CFB試驗臺投煤溫度T0的差值和燃料水分Mar作圖（圖3），除去畸形點后，可得關系式：

通過該公式計算的投煤溫度與3 MW CFB試驗臺實際投煤溫度數據相比，最大偏差在25℃范圍內，說明其能夠很好地指導CFB鍋爐投煤點火。但在實際應用中，考慮到操作方式和外界條件的不同，為了保證點火的安全性，可在此公式計算基礎上提高一定溫度再進行投煤，結合計算與實際投煤之間的偏差，增加30℃是可靠且合理的，即：

圖3 投煤溫度和熱重著火溫度、水分的關系

4 結論

多個燃料的熱重分析表明，不同煤種由于其水分、揮發分等含量的不同，其TG/DTG曲線存在明顯差異，多數燃料在700℃反應完全。CFB試驗臺投煤溫度隨著燃料熱重著火溫度、活化能的變化而變化，統計學分析也表明它們之間有明顯的相關性，而這種相關性與燃料中揮發分的含量有密切關系。其他熱重著火指標和CFB試驗臺投煤溫度之間并無明顯關系，這是由于這些著火指標包含的相關參數和燃料的著火方式密切相關，而不同燃料之間著火方式存在較大差異。熱重著火溫度和CFB試驗臺投煤溫度之間存在一定差異，實際投煤溫度高于熱重著火溫度，這種差異與試驗條件和燃料水分有關。通過大量數據分析，本文提出了通過熱重著火溫度和燃料水分計算CFB過路投煤溫度的關系式，該公式可以用于指導實際鍋爐投煤點火。